Découverte Génie Electrique

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2ème_{Année Licence Génie Electrique}

Cours

Découverte Génie Electrique

2

ème

année Licence

Cours préparé par :

Mme Mazouz.N

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OPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR

ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE D’ORAN MOHAMED BOUDIAF

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FACULTÉ DE GÉNIE ELECTRIQUE ـــ " % ا ـــــ* $ ا +

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Programme

Introduction générale 01 Partie I : ELECTRONIQUE 1.1Objectif 02 1.2Définitions 02 1.3L’électronique analogique 03

1.3.1 Les éléments passifs 03

1.3.2 Les éléments actifs 13

1.4L’électronique numérique 19

1.4.1 Les circuits intégrés numériques 19

1.4.2 Les circuits intégrés analogiques 22

1.5Le Bilan de l’évolution 22

1.6 Les métiers de l’électronique 24

1.7 Conclusion 25

Partie II : ELECTROTECHNIQUE 2.1Objectif 26

2.2Définition 26

2.3Les réseaux électriques 26

2.3.1 De la production autonome aux réseaux interconnectés 26

2.3.2 La conduite du réseau électrique 27

2.4Les machines électriques 30

2.4.1 Le transformateur 30

2.4.2 La Machine à courant continu (CC). 36

2.4.3 La Machine à courant alternative (CA) 39

2.5 L’Électronique de puissance 41

2.6 Conclusion 42

Partie III : AUTOMATIQUE 3.1 Objectif 43

3.2 Définition 43

3.3 La régulation automatique 43

3.4 Le système automatisé 45

3.5 L’automate programmable industriel (API) 49

3.6 Conclusion 52

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INTRODUCTION GENERALE

Le génie électrique est un domaine qui regroupe les trois spécialités électronique, électrotechnique ainsi que l’automatique, le facteur essentiel qui lie ces trois techniques est l’énergie.

Dans la Grèce antiquet, energeia voulait dire « en travail », « en action ». Le français a conservé cette signification. L’énergie, c’est au quotidien une force en action ! Un coup de pied dans un ballon de football produit un mouvement du ballon vers le partenaire ou les buts de l’adversaire. La force de la passe ou du shoot a donné son énergie au ballon. La flamme de la cuisinière à gaz fournit l’énergie nécessaire à l’eau de cuisson des pâtes. L’énergie produite par les réacteurs d’un avion lui permet de voler et de ne pas s’écraser au sol. L’énergie d’une chute d’eau permet de fabriquer de l’électricité. L’énergie lumineuse du soleil alimente la croissance des plantes.

On peut donc en déduire une première définition simple : L'énergie caractérise la capacité à produire des actions, par exemple à engendrer du mouvement, modifier la température d'un corps ou à transformer la matière. L'énergie provient de différentes sources que l'on trouve dans la nature : le bois, le charbon, le pétrole, le gaz, le vent, le rayonnement solaire, les chutes d'eau, la chaleur interne de la terre, l'uranium. Elle peut prendre différentes formes : chaleur, énergie musculaire, énergie mécanique, chimique, énergie électrique par exemple. Ses formes multiples peuvent se transformer l'une en l'autre.

L’électronique est l'ensemble des techniques qui utilisent des signaux électriques pour capter, transmettre et exploiter une information. Une exception est l'électronique de puissance utilisée pour la conversion électrique-électrique de l'énergie par contre l'électrotechnique est l’utilisation technique de l'électricité, soit en tant que support d'énergie, soit en tant que support d'information. Tandis que l’automatique est tout système qui exécute toujours le même cycle de travail pour lequel il a été programmé.

La particularité de l'Électrotechnique par rapport à l'Électronique, l'Automatique et l'Informatique vient du fait que la première s'intéresse essentiellement au traitement et à la conversion de l'énergie électrique plutôt qu'au traitement du signal (ou de l'information). La figure 1 illustre cette complémentarité.

Pour mieux comprendre la liaison entre ces trois grandes techniques, prenons l’exemple de la domotique. Le terme domotique est composé du regroupement de deux mots. Domo qui signifie maison, et automatique.

La domotique regroupe donc l'ensemble des techniques et technologies permettant l'automatisation et l'amélioration des tâches au sein d'une maison ou d'un appartement.

Pour ce faire, les appareils de la maison sont intégrés à des systèmes de communications qui permettent de gérer les automatismes. La domotique couvre les portes automatiques, les systèmes de sécurité et de télésurveillance, le chauffage, la gestion de l'énergie, de l'équipement électroménager, audiovisuel et bien plus.

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1.1 Objectif :

Connaitre le monde de l’électronique. 1.2 Définitions :

Electronique L’ensemble des techniques qui utilisent des signaux électriques pour capter, transmettre et exploiter une information. Une exception est l'électronique de puissance utilisée pour la conversion électrique-électrique de l'énergie (figure 1.1).

La synoptique montre les principales étapes du processus de traitement et de transmission d'une information sonore, depuis la note de musique émise par un instrument jusqu'à celle entendue par l'auditeur d'un concert ou d'un disque.

Deux technologies électroniques cohabitent : l'analogique et le numérique ou technologie digitale. Le numérique est plus récent, son développement est principalement dû aux ordinateurs et il prend de plus en plus de "parts de marché" de l'analogique. Cependant, l'analogique n'est pas du tout en déclin parce qu'il y a des domaines dans lesquels elle est irremplaçable, notamment en hautes fréquences. Des progrès importants sont faits dans la réalisation de circuits intégrés analogiques qui ouvrent de nouveaux champs d'applications hors de portée auparavant figure (1.2).

Figure (1.1) : Traitement et transmission de l’information

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Electronique analogique :

La grandeur électrique ou signal varie de façon analogue à la grandeur physique qu'elle décrit. Une caractéristique importante est la continuité du signal.

Electronique numérique :

La grandeur électrique est traduite en une suite de nombres séparés par un intervalle de temps. L'impossibilité de décrire le signal par une suite de nombres infinie si l'intervalle de temps tend vers zéro a pour conséquence une discontinuité de la description du signal physique.

On pourrait prétendre que l'électronique digitale est contre nature puisque toutes les grandeurs physiques de notre monde sont analogiques. On entend par analogique qu'elles sont continues, elles varient dans le temps mais sans discontinuité. Pour prendre un exemple parlant, la température au cours d'une journée évolue graduellement. Quand le soleil se lève la température augmente, de manière continue, on ne passe pas de 12°C à 25°C en une µs.

Dans l'électronique numérique, en revanche ceci ne sera pas possible, nous ne pourrons manipuler que des signaux qui prennent deux valeurs finies et bien connues. Ces valeurs symboliseront des états, comme l'état haut ou l'état bas, la porte ouverte ou fermée, le jour ou la nuit. Il y aura une forte discontinuité en ces deux valeurs.

1.3 Electronique analogique : 1.3.1 Les éléments passifs : 1.3.1.1 La Résistance : a. Descriptions :

La résistance ( Résistor) est l'élément le plus simple, très utilisé en électronique. C'est un composant dit passif, il conduit l'électricité avec un effet résistif . Il est bidirectionnel, il n' y a pas de sens obligatoire du passage du courant.

b.Symboles :

c. Effet résistif :

Il convient de noter que la dégradation d'énergie en forme thermique est un phénomène général en physique, phénomène décrit par la thermodynamique. En électricité, si on place une tension aux bornes d'un conducteur, il advient un courant. La dissipation d'énergie se manifeste par un échauffement et une chute de potentiel le long du conducteur ; il y a conversion d'énergie électrostatique (contenue dans le générateur par exemple) en énergie thermique (échauffement par effet Joules).

La résistance d’un corps dépend de sa nature par sa résistivité (qui n’est autre que sa faculté à s’opposer au passage des électrons) et de ses dimensions (longueur et section). La relation donnant la résistance R d’un cylindre de section constante (mais de forme quelconque) figure (1.3).

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d. Marquage de la valeur nominale

Ne Mangez Rien Ou Jeûnez Voilà Bien Votre Grande Bêtise

N : noir (0) M : marron (1) R : rouge (2) O : orange (3) J : jaune (4) V : vert (5) B : bleu (6) V : violet (7) G : gris (8) B : blanc (9) Exemple :

Premier chiffre significatif : jaune : 4

Deuxième chiffre significatif : vert : 5

Multiplicateur : orange : 3

Tolérance : dorée : 5 %

Donc la valeur de cette résistance est : 45 x 103 à 5 % soit 45 k à 5 %. Figure (1.3) : l’effet résistif

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1.3.1.2 Le CONDENSATEUR a. Descriptions :

Les condensateurs appartiennent à la famille des composants passifs et sont utilisés dans tous les domaines de l’électronique. Ils permettent d’emmagasiner une charge électrique aux bornes de deux électrodes séparées par un isolant appelé diélectrique. Leurs performances électriques dépendent de la nature du diélectrique et de la structure électrode-isolant-électrode. Ils sont classés en trois grandes familles :

condensateurs céramiques ; condensateurs électrochimiques ; condensateurs à film plastique. b. Effet capacitif :

Cet effet correspond au troisième phénomène très important. Lorsqu'on applique une différence de potentiel à deux conducteurs

accumulation de charges par influence électrostatique. C'est cela l'effet capacitif. Il p être ardemment recherché et dans ce cas on fabrique des condensateurs précis ou de grande capacité. Très souvent, l'effet capacitif est présent à titre parasitaire comme par exemple lors d'accumulation de charges entre deux lignes conductrices. Dans ce

cherche à minimiser ses effets sur

c. Définition de la capacité d'un dispositif

Pour un circuit donné, on définit sa capacité C comme le rapport de la charge accumulée sur la tension appliquée à ses bornes, soit en fait son aptitude à emmagasiner des charges électriques, de l'énergie électrostatique :

d. L'accumulation de charges : un phénomène physique

Le phénomène physique correspond au stockage d'énerg

électrostatique. Le stockage est momentané et cette énergie est restituée au circuit en tension. L'énergie accumulée par l'élément capacitif vaut :

Figure (1.5)

Génie Electrique

CONDENSATEUR

artiennent à la famille des composants passifs et sont utilisés dans tous les domaines de l’électronique. Ils permettent d’emmagasiner une charge électrique aux bornes de deux électrodes séparées par un isolant appelé diélectrique.

riques dépendent de la nature du diélectrique et de la structure électrode. Ils sont classés en trois grandes familles :

condensateurs céramiques ; condensateurs électrochimiques ; condensateurs à film plastique.

effet correspond au troisième phénomène très important. Lorsqu'on applique une différence de potentiel à deux conducteurs isolés les uns des autres, on assiste à une accumulation de charges par influence électrostatique. C'est cela l'effet capacitif. Il p être ardemment recherché et dans ce cas on fabrique des condensateurs précis ou de grande capacité. Très souvent, l'effet capacitif est présent à titre parasitaire comme par exemple lors d'accumulation de charges entre deux lignes conductrices. Dans ce

cherche à minimiser ses effets sur le temps de réponse de la ligne figure (1.5).

Définition de la capacité d'un dispositif :

Pour un circuit donné, on définit sa capacité C comme le rapport de la charge pliquée à ses bornes, soit en fait son aptitude à emmagasiner des charges électriques, de l'énergie électrostatique :

L'accumulation de charges : un phénomène physique :

Le phénomène physique correspond au stockage d'énergie sous forme électrostatique. Le stockage est momentané et cette énergie est restituée au circuit en

L'énergie accumulée par l'élément capacitif vaut :

Figure (1.5) :l’effet capacitif

artiennent à la famille des composants passifs et sont utilisés dans tous les domaines de l’électronique. Ils permettent d’emmagasiner une charge électrique aux bornes de deux électrodes séparées par un isolant appelé diélectrique.

riques dépendent de la nature du diélectrique et de la structure

effet correspond au troisième phénomène très important. Lorsqu'on applique une les uns des autres, on assiste à une accumulation de charges par influence électrostatique. C'est cela l'effet capacitif. Il peut être ardemment recherché et dans ce cas on fabrique des condensateurs précis ou de grande capacité. Très souvent, l'effet capacitif est présent à titre parasitaire comme par exemple lors d'accumulation de charges entre deux lignes conductrices. Dans ce cas, on

le temps de réponse de la ligne figure (1.5).

Pour un circuit donné, on définit sa capacité C comme le rapport de la charge pliquée à ses bornes, soit en fait son aptitude à emmagasiner

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ie sous forme électrostatique. Le stockage est momentané et cette énergie est restituée au circuit en

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e. Principales familles de condensateurs

On distingue 3 principales familles de condensateurs suivant la nature de leur isolant et la valeur de la permittivité associée :

• Céramique, • Film plastique

• Electrochimique (à oxyde d’aluminium ou de tantale). Les très basses valeurs de capacité (1 à 1 000 pF) so

couvertes par les seuls condensateurs céramique La gamme intermédiaire

(1 nF à 1 µ F) est couverte par la

Les valeurs les plus élevées (> 10 µF) correspondent aux électrochimiques.

1.3.1.3 La BOBINE a. Symboles :

La figure suivante montre le symbole que nous utilisons pour une self et sa modélisation en convention récepteur :

b. Effet auto inductif :

Lorsqu'un courant circule dans un conducteur, il est responsable de la création d'un champs d'induction magnétique. Si le courant est variable dans le temps, le champs d'induction le sera aussi et alors intervient le phénomène d'auto

variable rétroagit sur le courant qui le crée, en ralentissant la variation de ce courant. Cet effet correspond à un stockage d'énergie dans le circuit auto

magnétique figure (1.6).

c. L'auto-induction : un phénomène physique

Le phénomène physique correspond au stockage d'énergie sous forme magnétique. Le stockage est momentané et l'énergie est restituée au circuit en courant. L'énergie accumulée par l'élément auto inductif vaut :

Génie Electrique

Principales familles de condensateurs :

ue 3 principales familles de condensateurs suivant la nature de leur isolant et la valeur de la permittivité associée :

Film plastique

Electrochimique (à oxyde d’aluminium ou de tantale). Les très basses valeurs de capacité (1 à 1 000 pF) sont quasiment

condensateurs céramique. (1 nF à 1 µ F) est couverte par la céramique et par le film.

Les valeurs les plus élevées (> 10 µF) correspondent aux condensateurs

La figure suivante montre le symbole que nous utilisons pour une self et sa modélisation

Lorsqu'un courant circule dans un conducteur, il est responsable de la création d'un gnétique. Si le courant est variable dans le temps, le champs d'induction le sera aussi et alors intervient le phénomène d'auto-induction : ce champs variable rétroagit sur le courant qui le crée, en ralentissant la variation de ce courant. Cet spond à un stockage d'énergie dans le circuit auto-inductif, sous forme

induction : un phénomène physique :

Le phénomène physique correspond au stockage d'énergie sous forme magnétique. né et l'énergie est restituée au circuit en courant. L'énergie accumulée par l'élément auto inductif vaut :

Figure (1.6) : l’effet auto inductif

ue 3 principales familles de condensateurs suivant la nature de leur

condensateurs

La figure suivante montre le symbole que nous utilisons pour une self et sa modélisation

Lorsqu'un courant circule dans un conducteur, il est responsable de la création d'un gnétique. Si le courant est variable dans le temps, le champs induction : ce champs variable rétroagit sur le courant qui le crée, en ralentissant la variation de ce courant. Cet inductif, sous forme

Le phénomène physique correspond au stockage d'énergie sous forme magnétique. né et l'énergie est restituée au circuit en courant. L'énergie

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d. Inductance ou self :

Dans une bobine ou auto courant parcourant celle-ci : F

induction du circuit. Il s'exprime en Henry (H). Lorsque le courant varie, il apparaît dans la self une f.c.e.m. (qui s'oppose à la variation du courant)

1.3.1.4 LA DIODE :

a. LA DIODE JONCTION

Une diode à jonction est un composant électronique réalisé à partir d’un semi conducteur, obtenu par dopage.

électronique doté de deux électrodes. Il s'agit d'un composant polarisé à la région N est la cathode et l

transition qui sépare les deux régions internes est appelée jonction.

Un semi-conducteur de type N est obtenu en introduisant par dopage un excédant de charges négatives (électrons), alors que le type P est le résultat d’un dopage de charges positives (trous) figure (1.7).

Une diode ne laisse pas passer le courant de la même façon selon qu'on la branche dans un sens ou dans l'autre (le courant Anode vers Cathode peut être plus importante que le courant Cathode vers Anode, à une tension donnée, par exemple). Cette caractéristique permet à la diode d'être utilisée pour redresser un courant alternatif, c'est à dire de ne laisser passer que l'alternance positive ou que l'alternance négative (selon l'orientation de la diode). Le sens de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du montage. Le matériau le plus utilisé pour fabriquer les diodes "standards" est à ce jour le silicium, le germanium étant désormais bien moins utilisé que par le passé figure (1.8).

Figure

Génie Electrique

Dans une bobine ou auto-inductance le flux instantané est proportionnel au ci : F = L i. Le coefficient L est appelé coefficient d'auto induction du circuit. Il s'exprime en Henry (H). Lorsque le courant varie, il apparaît dans la self une f.c.e.m. (qui s'oppose à la variation du courant) :

LA DIODE JONCTION

Une diode à jonction est un composant électronique réalisé à partir d’un semi conducteur, obtenu par dopage. Par définition, une diode fait référence à tout composant électronique doté de deux électrodes. Il s'agit d'un composant polarisé. L’électrode rel à la région N est la cathode et l’électrode reliée à la région P est l’anode

transition qui sépare les deux régions internes est appelée jonction.

conducteur de type N est obtenu en introduisant par dopage un excédant de gatives (électrons), alors que le type P est le résultat d’un dopage de charges

Une diode ne laisse pas passer le courant de la même façon selon qu'on la branche re (le courant Anode vers Cathode peut être plus importante que le courant Cathode vers Anode, à une tension donnée, par exemple). Cette caractéristique permet à la diode d'être utilisée pour redresser un courant alternatif, c'est à dire de ne er que l'alternance positive ou que l'alternance négative (selon l'orientation de la diode). Le sens de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du montage. Le matériau le plus utilisé pour fabriquer les diodes ce jour le silicium, le germanium étant désormais bien moins utilisé que

JONCTION

A Zone Zone K P N

Anode Cathode

Figure (1.7) : Diode à jonction PN

(1.8): Diode à jonction PN au germanium

inductance le flux instantané est proportionnel au = L i. Le coefficient L est appelé coefficient d'auto-induction du circuit. Il s'exprime en Henry (H). Lorsque le courant varie, il apparaît dans

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Une diode à jonction est un composant électronique réalisé à partir d’un semi-Par définition, une diode fait référence à tout composant

L’électrode reliée eliée à la région P est l’anode La zone de conducteur de type N est obtenu en introduisant par dopage un excédant de gatives (électrons), alors que le type P est le résultat d’un dopage de charges

Une diode ne laisse pas passer le courant de la même façon selon qu'on la branche re (le courant Anode vers Cathode peut être plus importante que le courant Cathode vers Anode, à une tension donnée, par exemple). Cette caractéristique permet à la diode d'être utilisée pour redresser un courant alternatif, c'est à dire de ne er que l'alternance positive ou que l'alternance négative (selon l'orientation de la diode). Le sens de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du montage. Le matériau le plus utilisé pour fabriquer les diodes ce jour le silicium, le germanium étant désormais bien moins utilisé que

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La tension inverse :

Appelée aussi tension de claquage. Il s'agit de la tension maximale que l'on peut appliquer à la diode dans le sens bloquant (c'est à dire diode branchée à l'envers), avant qu'elle ne conduise. Une diode "normale" risque de griller quand cette tension inverse maximale est dépassée, mais certaines diodes supportent ce fonctionnement et ont même été conçues pour travailler de cette façon. Les diodes Zener, par exemple, se comportent comme des diodes normales quand on les branche dans le sens direct, et présentent une tension à juste titre appelée tension de Zener, quand on les branche dans le sens inverse. Cette tension inverse (de zener) est utilisée comme référence de tension, pour de la

régulation d'alimentation par exemple.

Le courant direct :

Il s'agit de l'intensité maximale qui peut parcourir le composant de façon continue quand il est polarisé dans le sens passant, sans que ce dernier ne grille. La diode peut en général supporter une pointe de courant (très brève) bien supérieure au courant maximal.

La vitesse :

Certaines diodes sont dites rapides. On peut donc imaginer qu'il en existe des lentes. Et c'est bien le cas. Alors qu'entend-on donc par rapide ? Et bien comme dans tout contexte d'utilisation, tout est relatif. Une même diode peut être considérée comme rapide dans une application donnée, et être considérée comme lente dans une autre application. Une diode de type 1N4007 par exemple, convient pour effectuer un redressement en sortie secondaire d'un transformateur d'alimentation (50Hz), mais ne convient pas pour une utilisation en diode de recouvrement dans une alimentation à découpage (diode de recouvrement : diode connectée au transistor de puissance qui travaille en commutation à une fréquence élevée - par exemple 150 KHz, pour accélérer les temps de commutation et limiter ainsi l'échauffement). Les diodes Schottky sont dites rapides, et peuvent même parfois être préférées pour des applications "lentes".

Montage de test et caractéristique

Voici le montage. Remarquez que nous avons connecté le + de l'alimentation à l'anode de la diode et le - par l'intermédiaire de la résistance à la cathode. Ce branchement provoquera la circulation du courant, on dira que la diode est polarisée pour le sens passant.

Si nous avions adopté l'autre sens (le + sur la cathode) nous aurions polarisé notre diode en inverse et aucun courant n'aurait circulé, notre diode aurait été bloquée et polarisée pour le sens non passant figure (1.9).

Pour notre expérience, nous allons faire varier la tension du générateur de 0 à + Vcc (nouveau terme indiquant la tension maximum d'alimentation continue) en relevant à

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chaque fois le courant qui circule dans le circuit et la tension aux bornes de la diode. Une fois ceci effectué, nous inverserons les pôles du générateur et pratiquerons de même. Ces relevés nous permettrons d'établir graphiquement la caractéristique tension-courant de la diode figure (1.10).

Notation (appellation) du composant :

Tout comme pour les résistances et les condensateurs, il existe un code couleur pour la diode, ainsi qu'une notation en clair. La notation par lettres et chiffres du composant repose sur une normalisation dont quelques détails sont donnés à la page Notation des composants.

b. Diode signal ou de commutation

Exemple : AA119, BAX13, OA95, 1N4150, 1N914, 1N4148

Ce type de diode est utilisé surtout en logique, où dans des montages où peu de puissance est mise en jeu. On les appelle souvent Diode d'usage général, même si paradoxalement on trouve aussi d'autres diodes appelées également Diode d'usage général.

c. Diode de redressement

Exemple : 1N400x (1N4003, 1N4007, ...), 1N5408, BY255

Utilisée pour le redressement mono-alternance (une diode) ou bi-alternance (deux ou quatre diodes) dans les alimentations secteur. A noter qu'il existe des diodes de puissance montées par paire dans un même boîtier, avec une patte en commun (deux diodes avec anode commune en boitier TO220 par exemple), qui leur donnent l'aspect d'un composant tripolaire (voir photo en haut de page). Il existe aussi des boitiers intégrant quatre diodes de redressement, câblées en pont (voir ci-après).

Remarque : les diodes de redressement de puissance présentent souvent une chute de tension

importante quand le courant qui les traverse est important. Par exemple, la diode1N4007, bien connu des électroniciens, présente une chute de tension de l'ordre de 0,7V pour un courant de 50 mA, et une chute de tension de 1,1V pour un courant de 1A. La diode 1N5818 est une diode de type Schottky qui peut être utilisée pour du redressement, et qui présente une chute de tension moitié de la 1N4007, soit 0,55V pour un courant de 1A. Par contre, elle ne supporte qu'une tension inverse de 30V, contre 1000V pour la 1N4007, ce qu'il est important de

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savoir pour des alimentations qui dépassent 24V... Pour des besoins en courant plus

importante, la diode Schottky MBR20100CT ne présente qu'une chute de tension de 0,7V sous 10A, et la 43CTQ100, 0,67V sous 20A.

d. Diodes en pont (pont de diodes)

Exemple : PR1, BY164, 110B6, B40C, KBP02M, KBL04

Il s'agit ni plus ni moins d'un assemblage de quatre diodes de redressement identiques dans un même boitier, câblées entre elles "en rond", chaque point commun correspondant à une connexion. Les ponts de diodes sont principalement utilisés pour le redressement de tensions alternatives dans une alimentation secteur. Le fait de n'avoir que quatre pattes au lieu de huit permet de simplifier le montage sur CI. Il existe aussi des boitiers à trois pattes (en boitier TO220 par exemple) qui contiennent deux diodes identiques montées tête-bêche (cathodes commune ou anodes commune). Tiens, je l'avais déjà dit juste avant...

e. Diodes THT

Les diodes THT sont des diodes capables de travailler sous de très hautes tensions (THT), de plusieurs KV à plusieurs dizaines de KV. Il est assez rare de trouver une diode qui permette cela à elle seule. La plupart du temps, il s'agit de plusieurs diodes montées en série, dans un même boîtier. On appelle d'ailleurs parfois ce type de composant un barreau de diodes. La représentation de ce type de diode dans un montage électronique est souvent faite par plusieurs diodes collées entre elles, en série Si pour un montage particulier (petit générateur de THT par exemple), vous avez besoin de diodes haute tension, allez donc faire un tour du côté des pièces détachées pour four à micro-ondes.

f. Diode de détection

Les diodes de détection sont (étaient ?) utilisées pour la détection (démodulation) RF dans les étages d'entrée de récepteur de radio. Ce type de diode, généralement en germanium, présentait un seuil de conduction plus faible (0,2V à 0,3V) que ceux des diodes au silicium (0,6V à 0,7V) et présentaient donc l'avantage d'être plus sensible et donc de mieux fonctionner avec des niveaux de réception faibles. J'ignore si ce type de diode est encore utilisé, car il existe désormais des techniques de détection plus efficaces. Mais il semble qu'elles soient en voie de disparition si on en juge la difficulté à s'en procurer...

g. Diodes en réseau (réseau de diodes)

Plusieurs diodes sont montées dans un même boîtier. Soit elles sont complètement isolées les unes des autres, soit elles ont une de leur patte mise en commun (réseau à cathode commune ou à anode commune). Quand on parle de diodes en réseau, il s'agit généralement d'un boîtier comportant quatre, sept ou huit diodes. Mais il existe également des boîtiers ne comportant que deux diodes, montées tête-bêche, que l'on trouve en particulier dans le domaine du redressement de puissance (en boîtier TO220), ou dans le domaine HF avec les diodes varicaps.

h. Diode zener

La diode Zener est une diode qui présente une tension inverse (tension Zener) ou tension d'avalanche de valeur déterminée de 2,4 V à plus de 100 V (certaines diodes Zener comportent une troisième broche qui permet de régler la tension d'avalanche).

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Normalement une diode laisse passer le courant électrique dans un seul sens. Les diodes Zener sont conçues de façon à laisser passer le courant inverse si la tension aux bornes du composant est plus élevée que le seuil d'avalanche.

Les diodes zener sont principalement utilisées pour la régulation de tension d'alimentation. Pour plus de détails. On l'utilise comme référence de tension dans les alimentations stabilisées par exemple. Elle permet également la protection en surtension, toutefois la diode transil lui est largement supérieure en puissance absorbable.

Les propriétés électriques de cette diode ont été découvertes par le physicien

américain Clarence Zener.

i. Diodes de référence de tension

Ces diodes ont des caractéristiques similaires aux diodes zener, mais se caractérisent par un coefficient de température bien plus faible. La tension à leur bornes, pour un courant donné, varie donc moins en fonction de la température ambiante. On les utilise principalement dans le domaine de l'instrumentation, notement dans la mesure de température ou plus simplement encore de tensions (voltmètres).

j. Diode Varicap (Varactor)

Exemples : BA102, BA104, BB105, BB112, BB142, BB204, BB405B Appelée aussi Varactor (acronyme de Variable Reactor) ou encore Diode d'accord, la diode Varicap présente la particularité de se comporter comme un condensateur dont la valeur dépend de la tension continue appliquée à ses bornes, quand elle est polarisée en inverse. La principale caractéristique d'une diode varicap est sa plage de variation de capacité (quelques pF ou quelques dizaines de pF) pour une plage de tension inverse donnée (quelques volts à quelques dizaines de volts). On peut donc la considérer comme

un condensateur variable programmable par une tension. Ce type de diode est

fréquemment utilisée dans des montages RF pour effectuer une modulation de fréquence, ou assurer un accord (dans l'étage d'entrée

RF d'un récepteur TV, ou pour stabiliser avec grande précision la fréquence de sortie d'un VCO, par exemple). Mais il existe aussi des diodes varicap de puissance utilisées pour réaliser des multiplicateurs de fréquence à faibles pertes, et des diodes varicap où l'arséniure de Gallium est préféré au silicium pour des applications en très haute fréquence. Dans certaines applications (récepteur de télévision par exemple), il est nécessaire d'utiliser deux diodes

k. Diode de protection

Exemple : Transil 1N6286

La diode Transil est l'appellation donnée par Thomson à la diode Transzorb. Ce type de diode est de type "à avalanche" Elle se met en parallèle sur l'alimentation, et absorbe toute surtension. L'inconvénient majeur de ce type de diode est qu'une très forte surtension la met en court-circuit. Là, c'est sûr qu'elle protège encore mieux l'équipement qui suit, mais les fusibles et disjoncteurs qui précèdent n'aiment pas ça, et jouent bien leur rôle.

l. Diode Electro-Luminescente (LED ou DEL)

Une LED est une diode qui émet des radiations visibles (de la lumière)

m. Photodiode

Exemples : OAP12, BP104 Ce type de diode est assimilable aux cellules photorésistantes, dans le sens ou elle est plus ou moins conductrice selon l'intensité de la lumière qu'elle reçoit. Elle peut se trouver sous forme d'un composant discret à deux pattes, ou être

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intégrée dans un opto-coupleur. La photodiode PIN est une photodiode ultra-rapide principalement utilisée dans le domaine de l'optique (infrarouge notamment).

n. Diode Tunnel

Appelée aussi diode Esaki. La diode Tunnel tire son nom de l'effet "Tunnel", qui consiste dans la manière dont une particule électronique peut traverser une barrière de potentiel trop élevée pour être franchie d'une façon normale (barrière qui empêche la conduction inverse dans le cas des diodes normales). Dans une diode Tunnel, le courant commence d'abord à croitre sensiblement proportionnellement avec la tension appliquée. Puis cette tension augmentant toujours, à partir d'un certain point, le courant s'inverse et diminue. On est alors en présence d'une "résistance négative", ce qui rend la diode idéale pour la réalisation d'oscillateurs ou d'amplificateurs, notamment dans le domaine fréquentiel des micro-ondes.

o. Diode Backward

Appelée aussi diode Unitunnel. Cette diode est similaire à la diode Tunnel dans son comportement global, exceptée que la portion "résistance négative" n'existe pas dans cette dernière. Ce type de diode est particulièrement utilisée pour le redressement de signaux de faible amplitude et très haute fréquence (micro-ondes)

p. Schottky

Exemples : MBD102, FH1100, HP2800

Diode de redressement fabriquée sur la base d'une jonction entre un métal et un semi-conducteur. L'effet Schottky confère à cette diode la faculté de commuter à des vitesses très élevées. Elle est donc naturellement employée là où des vitesses de commutation et de recouvrement élevées sont requises, comme par exemple pour la protection de transistors dans des circuits de commande de puissance ou dans des alimentations à découpage. Cette diode présente en outre l'avantage de présenter à ses bornes, une chute de tension plus faible que celle des diodes classiques. Autre argument de choix pour la préférer dans des alimentations où le moindre dixième de volt est compté...

q. Diode Gunn

Oscillateur micro-onde à résistance négative fonctionnant selon le principe de l'effet Gunn. Il s'agit d'une diode composée d'arséniure de gallium produisant des oscillations micro-ondes cohérentes quand un champ électrique important lui est appliqué.

r. Diode Pin

Ce type de diode peut être utilisé pour assurer la détection de modulation optique (photodiode PIN à l'entrée d'un récepteur d'une liaison fibre optique par exemple). Elle peut aussi être utilisée comme élément atténuateur commandé dans un étage HF, ou comme élément de commutation pour router des signaux HF.

s. Diode régulatrice de courant

Diode à effet de champs dont la particularité est de générer un courant constant, dont la valeur est indépendante de la tension appliquée à ses bornes (quelques centaines de uA à quelques mA).

1.3.2 Les éléments actifs : 1.3.2.1 Le transistor bipolaire :

(17)

Le transistor est un composant actif qui sera utilisé pour commuter des courants ou des tensions, amplifier, transposer des fréquences, les mélanger, commander un relais et mille autres choses encore.

Nous avons eu l'occasion de voir que la diode était constituée d'une jonction PN et nous ne traiterons sauf exception que des transistors NPN qui plus est au silicium. Le transistor est constitué de deux jonctions PN accolées formant un ensemble NPN.

Comme vous pouvez le constater, ce dispositif comporte 3 électrodes. La base est l'électrode de commande, une sorte de robinet, le collecteur, relié au pôle positif de l'alimentation sera le reflet de la base mais "agrandi", l'émetteur drainera les courants base + collecteur. C'est très simpliste pour le moment.

Voici une autre représentation du transistor toutefois ayez toujours présent à l'esprit que si vous réalisez ce montage, vous n'obtiendrez jamais l'effet "Transistor", il s'agit d'une représentation, sans plus, qui vous montre que la diode Base-émetteur est polarisée en direct, la diode Base-collecteur en inverse figure (1.11).

Petit montage de test:

Le temps est venu de relier notre transistor à une source de tension et d'observer ce qui se passe. Pour ce faire nous allons réaliser un petit montage de test avec un transistor petits signaux tout à fait classique. Nous allons essayer de voir ce qu'est justement l'effet transistor. Nous observons que quand notre transistor est correctement polarisé (les tensions sont dans le bon sens et de valeurs adéquates), un courant de base IB de quelques µA circule dans la jonction Base-Emetteur. Comme il s'agit d'une jonction, on retrouve une chute de tension de 0,6-0,7 V ici. Nous constatons également qu'un courant IC beaucoup plus important circule du collecteur vers l'émetteur. En faisant diverses expériences on démontre qu'une relation liant IC et IB existe. Nous constatons enfin que le courant Emetteur est le plus important des trois et est égal à la somme de IC et IB.

Les sources de tension sont variables, nous allons donc les faire varier et mesurer à chaque fois U et I. Ceci nous permettra de tracer des courbes forts utiles à la compréhension du fonctionnement du transistor figure (1.12).

Figure (1.11) : Symbole électrique d’un transistor NPN

(18)

Retenons les deux relations ci-dessous :

Ie = Ic + Ib (1.5) Ic = β. Ib (1.6) Avec

β: gain en courant

1er résultat important : Nous faisons varier la tension collecteur, le courant IC reste

constant sur une grande plage.

Nous constatons que le gain en courant du transistor β est sensiblement constant (rapport IC/IB). Plus VCE croît, moins la partie rectiligne est importante. Nous retiendrons que le courant collecteur est dépendant du courant de base figure (1.13).

Caractéristique de base du transistor :

La caractéristique de base du transistor est la caractéristique du courant IB fonction de la tension VBE figure (1.14).

Nous avons vu que le courant collecteur était lié au courant de base par le gain en courant ß du transistor.

Notez ceci en lettres d'or au dessus de votre lit :

Le gain en courant ß du transistor est fortement affecté par la température. Quand la température du transistor croît, la gain ß croît. Ce phénomène peut conduire à l'emballement thermique (ß croît donc IC croît, la température du transistor croît, ce qui provoque une augmentation de Ib etc.)

Figure (1.13) : Caractéristique I-V pour différents courants de base Ib

(19)

Les zones extrêmes de fonctionnement du transistor :

Pour ce faire, nous aurons besoin de la caractéristique de collecteur du transistor et de deux points représentatifs donnés par deux équations tirées de la loi d'Ohm figure (1.12). Explications:

La résistance Rc est parcourue par le courant collecteur Ic. Pour connaître la valeur de celui-ci, nous devons déterminer la chute de tension aux bornes de cette résistance.

-Nous savons donc que Ic=(Vcc-Vce)/RC.

- Prenons l'hypothèse où Vce = 0, Ic sera égal = Vcc/Rc. Ce point sera la point de

saturation du transistor.

- Prenons l'hypothèse où Ic=0 alors Vce = Vcc, ce point sera la point de blocage du transistor.

Grâce à ces deux points nous pouvons tracer la droite de charge statique qui aura cette allure:

Que nous enseigne cette figure ?

1. Le point de saturation est le point ou la tension VCE atteint une valeur proche de 0. Ceci est du au fait que la chute de tension aux bornes de Rc augmente donc diminue Vce. (Vce= Vcc -Rc.Ic)

2. Le point de blocage est le point où la tension Vce atteint la tension d'alimentation Vcc, plus aucun courant de collecteur ne circule (hormis un ridicule courant de fuite négligeable). Ce point est atteint quand Ib =0

Pour vous souvenir de cette notion de transistor fonctionnant en commutation, on dit également en tout ou rien, imaginez qu'entre collecteur et émetteur vous ayez un interrupteur. Si l'on place aux bornes de cet interrupteur un voltmètre, on mesurera la tension d'alimentation quand l'interrupteur sera ouvert et une tension quasi nulle quand il sera fermé figure (1.16).

(20)

TRANSISTROR BIPOLAIRE PNP :

Nous avons pour le moment étudié les transistors bipolaires types NPN. Ce sont les plus répandus toutefois certaines applications demandent l'utilisation de transistors PNP. Voyons de quoi il en retourne. Comme vous pouvez le constater, rien de révolutionnaire hormis la flèche d'émetteur qui est rentrante alors qu'elle était sortante sur le transistor NPN.

Le transistor PNP aura rigoureusement le même comportement que le transistor NPN à cette différence que les polarités seront inversées. Nous appliquerons donc une tension positive sur l'émetteur, la masse sur le collecteur et pour se débloquer, ce transistor demandera une polarisation de jonction Vbe inverse également de celle du NPN. Il faudra que la tension appliquée sur la base soit inférieure de 0,6-0,7V à celle d'émetteur figure (1.17).

Pour comprendre cela nous allons étudier un cas concret :

Figure (1.16) : Principe de fonctionnement du transistor

Figure (1.17) : Symbole électrique d’un transistor PNP

(21)

Nous avons affaire au même montage, nous avons simplement remplacé le transistor NPN par un PNP. Les valeurs de polarisation sont les mêmes et vous constaterez que nous trouvons les mêmes résistances dans les mêmes mailles. Dans les deux cas l'émetteur est chargé par une résistance de 150 Ω et le collecteur par une résistance de 560 Ω. Nous allons trouver le même courant Ie qui traverse la résistance de 150 Ω figure (1.18).

Retenez que pour conduire, un transistor PNP doit avoir sur sa base une tension inférieure à celle de son émetteur, c'est le contraire sur un NPN. Les émetteurs-récepteurs actuels vous fournissent une masse quand vous passez en émission, ceci est utilisé pour télécommander un amplificateur par exemple. Comme la puissance de cette télécommande est très faible, il faut passer par un système intermédiaire qui sera constitué par un transistor PNP. La base sera relié normalement au +VCC par une résistance de manière à bloquer le transistor. Quand vous passerez en émission, la base du transistor sera mise à la masse, le transistor se saturera et vous pourrez exploiter ceci soit pour commander un relais soit votre amplificateur.

1.3.2.2 L’amplificateur opérationnel :

Le symbole standard de l’amplificateur opérationnel est illustré à la figure (1.19), il possède deux bornes à l’entrée : l’entrée avec inversion (-) et l’entrée sans inversion (+), en plus d’une borne pour la sortie. L’Ampli-op type requiert deux tensions d’alimentation cc, une positive et l’autre négative. Habituellement, et ce pour simplifier, les bornes de tensions cc n’apparaissent pas sur le symbole schématique, mais on doit toujours considérer qu’elles existent en réalité.

Les premiers amplificateurs opérationnels (AOP) furent d’abord utilisés pour exécuter des opérations mathématiques telles que l’addition, la soustraction, la multiplication et la division, d’où le terme opérationnel. Les composants d’alors fonctionnaient à partir de tubes à vide électroniques et travaillaient sous des tensions élevées. Les Ampli-op d’aujourd’hui sont des circuits intégrés (CI) linéaire fiables et peu dispendieux qui utilisent des tensions d’alimentation cc relativement faible

1.4 Electronique numérique :

Le circuit intégré (CI) (ou la puce électronique) est un composant électronique

reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit, rendant le circuit facile à mettre en œuvre.

1958:Premier CI (Texas / Kilby) fin 58 / 5 composants / Ge / Vacances 1959 : Transistor Planaire par Hoerni (CH) Fairshild

1960 : Premier vrai circuit intégré moderne par Noyce

(22)

1961 : Fabrication à grande échelle (10* +chers que discrets)

Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numérique.

1.4.1 Le circuit intégré numérique :

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques simples (et, ou, non) figure (1.22), les plus compliqués sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires. On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques (ASIC pour Application Specific Integrated Circuit), notamment pour le traitement du signal (traitement d'image, compression vidéo...) on parle alors de

DSP (pour Digital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable (FPGA, CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d'intégration. 1.4.1.1 Apparence

Les circuits intégrés se présentent généralement sous la forme de boîtiers pleins rectangulaires, noirs, équipés sur un ou plusieurs côtés voire sur une face, de

broches/pattes/pins permettant d'établir les connexions électrique avec l'extérieur du boitier. Ces composants sont brasés, (soudé, terme impropre) sur un circuit imprimé, ou enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux même brasés sur un circuit imprimé figure (1.20).

1.4.1.2 Composants internes :

Un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées principalement des

transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances

car elles sont plus difficilement miniaturisable. 1.4.1.3 Échelle d'intégration :

L'échelle d'intégration définit le nombre de portes par boîtier :

SSI (small scale integration) petite : inférieur à 12

MSI (medium) moyenne : 12 à 99

LSI (large) grande : 100 à 9999

VLSI (very large) très grande : 10 000 à 99 999

ULSI (ultra large) ultra grande : 100 000 et plus

Ces distinctions ont peu à peu perdu leur utilité avec la croissance exponentielle du nombre de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme). Afin de parvenir a de tels niveaux d'intégrations, un flot de conception complexe est utilisé.

(23)

1.4.1.4 La technique de fabrication la plus courante :

La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se compliquer de plus en plus.

Le motif de base est le transistor, et ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre les transistors qui réalisent la fonction particulière du circuit.

L'aluminium est souvent employé dans ce but, mais une technologie plus performante permet l'emploi du cuivre.

On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la grille du transistor. La matière première de base habituellement utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est le silicium. Néanmoins, d'autres matériaux sont parfois employés, comme le germanium ou l'arséniure de gallium. Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme monocristalline. Ce matériau doit être pur à 99,99%.

On fabrique d'abord un barreau cylindrique de silicium en le cristallisant très lentement. Ce barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 500 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.

Exemple :

Le circuit intégré d'une puce Intel 8742, un micro contrôleur 8-bit qui comprend un

CPU fonctionnant à 12 MHz, 128 bytes mémoire vive, une mémoire EPROM de 2048 bytes, ainsi que les Entrées-Sorties dans le même composant figure (1.21)

1.4.2 Circuit intégré logique :

1950-1961:DL/RTL (composants discrets ) 1961 FET « industriel » 1961-70 : RTL intégrée 1962 : ECL / CML (1968 MECL III) 1962: SUHL/9000/TTL (Texas)

1963 : CMOS (labo - 10µm) « Internet » : 4 machines 1967 : PMOS, NMOS puis CMOS

Figure (1.21) : circuit intégré numérique : micro contrôleur Intel 8742

(24)

La logique booléenne :

Voici un schéma assez simple. Il représente un ampoule électrique alimentée par une batterie par l'intermédiaire d'un contact k. Ce contact peut être soit ouvert, soit fermé, on dira qu'il prend pour valeur 0 (ouvert) ou 1 (fermé) figure (1.23).

Sans être devin, il est évident que si k=1 l'ampoule éclaire et si k = 0, l'ampoule ne brille pas. On peut en déduire un tableau qui va synthétiser cela et nous donner l'état de la sortie en fonction de l'état de l'entrée. Il s'appellera table de vérité.

k : est la variable, 0 si ouvert et 1 si fermé

S : sera l'état de l'ampoule, 1 si elle éclaire, 0 si elle n'éclaire pas. C'est un exemple volontairement simpliste tableau (1.1)..

Variable k sortie

0 0

1 1

1.4.3 Le circuit intégré analogique :

Les composants les plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages réunissant toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant. Les

amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute

fréquence et de télécommunication.

Un exemple de circuit analogique : l’amplificateur opérationnel LM741 figure (1.24)

1.5 Bilan de l’évolution :

2. Processeurs : PCB 4004, 100KHz ➠ 2.5 GHz

Pentium IV : 42.106 TMOS (0,18µm) 3. Mémoires : Aujourd’hui : 256Mbits SDRAM

(Accès page 6ns) 16Mbits SRAM (7ns) 1Gbit (démo NEC) 0,2µm Capa 28.5fF

4. PLD/FPGA : 4004 = 2250 / Pentium IV = 47.000.000 Transistors Playstation II : 11.000.000 Transistors

Figure (1.23) : circuit logique simple

Tableau (1.1) : table de vérité

(25)

APEX200K1500C = 100 Millions de transistors ! IO réparties / 1Km d’interconnexions / 5 cm²

5. Méthodes de CAO

1950 : Premier système graphique (MIT) 1969 : SPICE (Berkeley)

1970 : Dessin des masques à la main

1980 : Compilation de silicium (portes vers masques) 1985 : Synthèse logique / Naissance de VHDL 1990 : Synthèse de haut niveau

1995 : Synthèse architecturale Méthodologie ASIC : juste par conception 2000 : Langage multi-disciplines industriel : VHDL-AMS Analogique / Numérique / Autres (MOEMS)

Tableau (1.2) : Evolution PLD/FPGA

Figure (1.25) : Conception physique Figure (1.26) : Conception structurelle

(26)

6. Programmation :

1950 : Invention de l'assembleur

1951 : Invention du premier compilateur

1957 : Création du premier langage universel, le FORTRAN 1958 : LISP (LISt Processing)

1960 : Publication du CdC du COBOL faisant disparaître l'ALGOL. 1964 : BASIC (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code) 1964: IBM crée PL/I (Programming Language I).

1964 : Création du code ASCII (normalisé en 1966). 1968 : PASCAL par Niklaus Wirth.

1970 : Ken Thompson crée le B interprété (en référence au BCPL). 1971 : Dennis Ritchie fait évoluer B vers C (compilé)

1972 : Premier langage orienté objet, SmallTalk 1973 : Portage de UNIX en C

1979 : ADA (Jean Ichbiah) choisi par le Pentagone 1983 : C++ de Bjarn Stroustrup

1995 : JAVA

1.6 Les métiers de l’électronique Plusieurs vues possibles :

1. Le domaine applicatif 2. Le domaine technique 3. L’expertise

4. La fonction

1.6.3 Domaines d’application

Automobile (équipementiers, appareils de service …) Biomédical (scanners, pompes, …)

(27)

Télécom (portables, équipements …)

Aéronautique (Rafale, A380, Ariane, satellites …) Transports (bateaux,…)

Autres (dont défense)

(électroménager, sécurité, audiovisuel, terminaux, réseaux, instrumentation …) 1.6.2 Domaines techniques

Matériau, physique du solide

Electronique signal (Analogique, numérique, mixte, ) Modélisation, simulation (prototypage virtuel) Très basse tension / consommation

Haute tension Capteurs

Radio fréquences, Hyper fréquences 1.6.3 L’expertise

Gestion et suivi des procédés

Concepteur de cellules (ana, num – nouvelle électronique) Concepteur de circuits intégrés (full custom, ASICs) Concepteur de composants programmables

Concepteur de cartes

Etudes d’industrialisation (du prototype au produit) Industriels, Production, Qualité, Maintenance Communication, Commercial, Acheteur Stratégie commerciale et industrielle 1.6.4 La fonction technique

Chercheur amont (organismes, universités …)

Chercheur de R&D (quasiment toujours plus D que R) Concepteur analogique ou numéricien

Concepteur sous-système et systèmes

Chef de groupe (coordination, gestion de terrain) Architecte (expertise technique, culture, veille …) Chef de projet (prévisions, planning, ressources …) Formateur / Consultant / Expert

1.7 Conclusion

L’électronique est une technique, dite "fluide", qui connaît ses propres développements scientifiques et technologiques, et dont les implications permettent des progrès conséquents dans d’autres branches industrielles.

(28)

(29)

2.1 Objectif :

Donner aux étudiants un aperçu du matériel électrique couramment rencontré dans le milieu industriel en électrotechnique

2.2 Définition :

L’électrotechnique désigne les applications techniques de l’électricité. En réalité, l’électrotechnique regroupe les disciplines traitant l’électricité en tant qu’énergie. On peut citer la production, le transport, la distribution, le traitement, la transformation, la gestion et l’utilisation de l’énergie électrique. Parfois appelée Génie électrique, on peut situer sa naissance avec l'invention de la dynamo en 1869.

2.3 Le Réseau électrique :

On appelle réseau électrique l'ensemble des infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centrales électriques, vers les consommateurs d'électricité.

Le réseau est constitué de lignes de différentes tensions, connectées entre elles au niveau des postes électriques. Les postes électriques permettent de répartir l'électricité et de la faire passer d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs.

L'infrastructure est un ensemble d'éléments structuraux interconnectés qui fournissent le

cadre pour supporter la totalité de la structure

2.3.1 De la production autonome aux réseaux interconnectés :

Un réseau électrique permet de mettre en relation la production d'énergie (centrales électriques) avec les consommateurs (domestiques ou industriels).Une particularité importante de l'énergie électrique est qu'il est pratiquement impossible de la stocker, sauf en très petite quantité ou à un fort coût. Il faut donc équilibrer en permanence la production et la consommation. Dans le cas d'un petit réseau, typiquement un générateur alimentant un village, il est difficile d'atteindre cet équilibre, et ceci conduit en général à une utilisation non optimale des moyens de productions. Le développement de réseaux électriques de grande taille permet de :

Construire des générateurs de grande taille, produisant de l'énergie à coût plus faible

Améliorer la fiabilité de la distribution d'énergie aux consommateurs

On a donc assisté au cours du vingtième siècle à un agrandissement et à une interconnexion des réseaux:

Les premiers réseaux étaient très locaux :un générateur alimente localement des consommateurs sur quelques kilomètres alentours. De tels réseaux sont dits ilotes, et existent encore nos jours dans certains pays en voie de développement ou dans certains lieux isolés.

Puis se sont développé des réseaux régionaux et nationaux.

Puis on a vu se développer l'interconnexion des réseaux pour créer es réseaux continentaux comme l'UCTE .

On en est maintenant à interconnecter des réseaux continentaux avec par exemple la liaison sous le détroit de Gibraltar.

L'Union pour la coordination de la transmission de l'électricité (UCTE, en anglais

Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity), est l'organisme qui coordonne les réseaux électriques interconnectés de l'Europe continentale (Ouest et centre).

(30)

2.3.2 Conduite du réseau :

La conduite du réseau vise essentiellement à assurer la continuité et la qualité de l'alimentation électrique des consommateurs, et ce tout en assurant la protection des personnes et des biens et en dépit des aléas (sauf circonstances très exceptionnelles). La qualité de l'alimentation est définie notamment par le niveau et les éventuelles variations de la fréquence et de la tension de l'onde électrique, qui doivent respecter des limites techniques (sûreté de fonctionnement) et contractuelles vis-à-vis des clients. Les aléas comprennent les variations du niveau global de consommation, de la répartition de cette consommation sur le territoire, les incidents relatifs aux groupes de production ou aux éléments du réseau)

On distingue

Le réseau de transport : utilisant des lignes à haute tension, dont le rôle est d'assurer les mouvements d'énergie au niveau national (entre les principales centrales de production et les grands centres consommateurs) et international (interconnexion avec les pays voisins), et de permettre l'équilibre production - consommation.

Les réseaux de distribution : à moyenne et basse tension, dont le rôle est l'acheminement de détail à l'ensemble des consommateurs.

Tensions du réseau électrique :

Le réseau est constitué de lignes à basse (110 ou 230 volts),moyenne, haute et très

haute tension (plusieurs centaines de kilovolts).La raison de ces différentes tensions est la nécessité de limiter les pertes sur le réseau pour permettre le transport d'énergie sur des distances relativement longues. En effet, pour une même puissance à alimenter, plus on élève la tension, moins les pertes en lignes induites (échauffement des câbles) sont importantes. En revanche, plus la tension est importante, plus la technique requise (notamment en termes d'isolement) est coûteuse. Le choix du niveau de tension est un optimum entre coût d'investissement initial et coût des pertes en lignes tout au long de l'exploitation, compte tenu des impératifs de sécurité et de l'état de l'art.

Schématiquement, on élève donc de façon très importante la tension en sortie de centrale, puis on diminue graduellement la tension au fur et à mesure que l'on se rapproche du consommateur final.

Le réseau domestique est alimenté en basse tension, soit 230 V en monophasé (entre phase et neutre) ou 400 V en triphasé. Cette tension, même si elle peut être mortelle, se manipule assez facilement avec des équipements faciles de conception et peu encombrants.

Au niveau d'un quartier, le réseau est alimenté en 20 kV (15 kV sur certains vieux réseaux français, mais aussi dans de nombreux autres pays)

Au niveau régional, on rencontre des réseaux de répartition en 63 kV et 90 kV. Enfin, le transport au niveau national se fait en 400 kV. Le réseau 225 kV français a un rôle hybride entre répartition (notamment au niveau des grandes agglomérations et soutien au réseau 400 Kv

Fréquences du réseau électrique En général, 50 Hertz

(31)

Amérique du Nord, Brésil, Ouest du Japon, etc. : 60 Hertz

Chemins de fer en Allemagne, Suisse, Autriche, Suède : 16 2/3 Hertz (=50/3) Certains chemins de fer et métros aux États-Unis : 25 Hz

EN RESUME :

L’alimentation en énergie électrique comporte plusieurs étapes figure (2.2) : production de l’énergie,

transport de cette énergie, distribution de l’énergie, utilisation de l’énergie Production :

L’énergie électrique est une énergie secondaire, elle est produite à partir d’énergies primaires (eau, vent, soleil, pétrole, uranium). Cette énergie est produite dans des centrales par des alternateurs à partir de l’énergie fournie par des turbines ou de la chaleur.

Transport :

Il est effectué par EDF, en Très Haute Tension (THT) par des lignes aériennes sous des tensions de 225kV ou 400 kV. Ces lignes relient les lieux de production et d’utilisation, elles alimentent les postes de répartition où la tension est abaissée (225, 150, 90 ou 63 kV) pour alimenter le réseau régional de distribution qui est constitué de postes source qui transforment le 63 kV en 20kV.

Distribution :

A partir des postes source, la distribution s’effectue en 20 kV. On distingue deux types de distribution :

• le réseau rural :

Ce sont essentiellement des lignes aériennes longues qui alimentent des utilisateurs en faible puissance, mais elles sont soumises aux intempéries.

• le réseau urbain :

(32)

Il est constitué de câbles souterrains, qui sont peu influencés par les intempéries, mais la puissance installée par unité de surface est beaucoup plus importante.

Classification des tensions :

Selon leurs natures et leurs valeurs efficaces, les tensions sont classées en 5 catégories tableau (2.1).

Domaines TBT BTA BTB HTA HTB

Alternatif <=50V 50V<U<=500V 500V<U<=1kV 1kV<U<=50kV U>50kV

Continu <=120V 120V<U<=750V 750V<U<=1,5kv 1,5kV<U<=75kV U>75kV

2.4 Les machines électriques :

2.4.1 Le transformateur de distribution : Objectif :

Le branchement d'un transformateur de distribution doit s'effectuer avec certaines précautions. Pour être capable de décoder les informations contenues sur la plaque signalétique et réaliser les raccordements nécessaires, il faut savoir comment ce transformateur est constitué et connaître ses caractéristiques.

Pour éviter les pertes par effet Joule, dans les lignes de transport ou de distribution d'énergie électrique on doit élever la tension. On résout ce problème en utilisant des transformateurs élévateurs ou abaisseurs de tension qui fonctionnent en courant alternatif. Présentation :

Tableau (2.1) : classification des tensions